Физика квантовой информации - Бауместер Д.
ISBN 5-94057-017-8
Скачать (прямая ссылка):
В экспериментах, выполненными на рамановских переходах в Ве+, т.е. переходах вызываемых двумя лазерными пучками R1 и R2, обо-
Эксперименты по КЭР: атомы в резонаторах и ионы в ловушках 197
значенными R1/R2 на Рис. 5.8, связываются два (сверхтонких основных) состояния с разностью частот а>нр1{2л) * 1.25 ГГц через виртуальный третий уровень. Рамановские пучки получаются при отстройке удвоенной частоты лазера на красителе от перехода 2S1/2 - 2Р3/2 (приблизительно 12 ГГц) и последующим расщеплением на две компоненты с разностью частот около 1.25 ГГц с помощью акустооптического модулятора (АОМ). Таким образом, разность частот и относительная фаза двух компонент может управляться с ВЧ-точностью и при этом абсолютная стабильность лазера не должна быть слишком высока. В экспериментах, выполненных в NISTe, не предпринималось попыток сузить линию генерации лазера на красителе, которая составляла приблизительно 1 МГц. При сателлитном охлаждении разность частот подстраивается к величине coHF - со (красный сателлит). Цикл охлаждения затем продолжается по схеме, описанной выше, с дополнительной подкачкой, вызывающей возбуждение дипольного перехода с уровня 2S1/2 на уровень 2Р3/2, который также используется при доплеровском охлаждении [211].
Для Са+ метастабильный уровень D5/2, показанный на Рис. 5.8, с временем спонтанного перехода порядка одной секунды, может быть использован в методе сателлитного охлаждения вместе с основным состоянием. Как и в предыдущем случае, кванты движения удаляются при возбуждении переходов путем отстройки лазерной частоты со в длинноволновую область от узкой резонансной линии. В противоположность рамановским переходам, лазер должен иметь высокую стабильность частоты для того, чтобы разрешить сателлиты движения, т.е. особое внимание следует уделять стабилизации. Установка, используемая в университете Инсбрука, состоит из титан-сапфирово-го лазера с длиной волны 729 нм, стабилизированного с помощью опорного резонатора, помещенного в вакуум и изолированного от температурных и вибрационных воздействий. Добротность резонатора составляет 250 ООО и предварительные тесты показали, что ширина линии лазера оказывается уже чем 1 кГц. В принципе, возврат без отдачи в основное состояние мог бы служить подкачкой, но время жизни метастабильного состояния 1с делало бы процесс охлаждения очень медленным. Чтобы ускорить цикл охлаждения, основной уровень ионов подкачивается через короткоживущий уровень Р3/2. Таким методом в 1989 году в NISTe был охлажден единичный ион Hg+ в основном состоянии при одномерной геометрии [214]. В Са+ подкачиваемый переход возбуждается лазерным диодом с длиной волны 814 нм. Охлаждение единичных ионов в основном состоянии и недавно реализованное охлаждение разных колебательных мод двух ионов, наблюдалось в сферической ловушке Пауля в университете
198 На подступах к квантовым вычислениям: эксперимент
Инсбрука [215]. О первом опыте по охлаждению основного состояния коллективных мод движения двух ионов 9Ве+ в ловушке сообщалось в [216].
Очевидно, что охлаждение основного состояния реализовать проще, если доплеровское охлаждение происходит при низких колебательных квантовых числах. В этом случае, чтобы достигнуть основного колебательного состояния, необходимо выполнить только несколько циклов сателлитного охлаждения. Для жесткой ловушки в NISTe пяти рамановских циклов охлаждения оказалось достаточно чтобы система оставалась в основном состоянии 98% времени [211]. В случае Са+, в сферической ловушке, используемой в Инсбруке, была зарегистрирована относительная населенность в основном состоянии движения 99.9%, после охлаждения за 6.4 мс [215] (собственная частота ловушки 4.5 МГц). Здесь скорость переходов при охлаждении составляла несколько кГц. В случае линейной ловушки в Инсбруке, имеющей гораздо более низкую частоту и, следовательно, более высокие колебательные квантовые числа после доплеровского охлаждения, возникали трудности при охлаждении основного состояния. Однако, преимуществом линейной ловушки, как уже упоминалось выше, являются большие расстояния между ионами, что упрощает индивидуальную адресацию в квантовых операциях. Более того, наблюдался низкий уровень нагрева - порядка одного фонона за 190 мс, по сравнению с достаточно большими размерами ловушки - около 1.4 мм [215].
5.2.8 Размещение электронов и детектирование колебательного движения
Квантованное движение малого числа ионов очень слабо связано с термостатом и его трудно зарегистрировать непосредственно. Наоборот, внутреннее электронное состояние можно зарегистрировать очень удобным способом - в так называемом, методе «размещения электронов», предложенном Дэмелтом [217]. Эта ситуация очень похожа на «классические» эксперименты по КЭР, где фотонное поле локализовано внутри сверхпроводящего резонатора и труднодоступно, но косвенно может детектироваться при измерении ридберговских атомов после их взаимодействия с осцилляторной модой.
Основная идея метода «размещения электронов» очень проста. Необходима трехуровневая система, состоящая из основного состояния |g), метастабильного возбужденного состояния \е> и короткоживу-щего состояния |р). Основное состояние на некоторое время связывается с состоянием \е) - система оказывается в состоянии суперпозиции a\g) + Р\е). Если теперь осуществить переход |g) —>|р), короткожи-
